Grafen-Assisted Quasi-van der Waals Epitaxy of AlN Film on Nano-Patterned Sapphire Substrat for Ultraviolet Light Emitting Diodes
Summary
Ett protokoll för grafen-assisted tillväxt av högkvalitativa AlN filmer på nano-mönstrade safir substrat presenteras.
Abstract
Detta protokoll visar en metod för grafen-assisted snabb tillväxt och kolescens av AlN på nano-pattened safir substrat (NPSS). Grafenskikt odlas direkt på NPSS med katalysatorfri kemisk ångdeposition (APCVD). Genom att tillämpa kvävereaktiv jonetsning (RIE) plasmabehandling, defekter införs i grafenfilmen för att förbättra kemisk reaktivitet. Under metall-organisk kemisk ånga nedfall (MOCVD) tillväxt av AlN, denna N-plasma behandlade grafen buffert möjliggör AlN snabb tillväxt, och kolescens på NPSS bekräftas av tvärsnittsundersökning elektronmikroskopi (SEM). Den höga kvaliteten på AlN på grafen-NPSS utvärderas sedan av röntgenrockkurvor (XRCs) med smal (0002) och (10-12) full bredd vid halvmaxal (FWHM) som 267,2 arcsec och 503,4 arcsec, respektive. Jämfört med nakna NPSS, AlN tillväxt på grafen-NPSS visar betydande minskning av kvarvarande stress från 0,87 GPa till 0,25 Gpa, baserat på Raman mätningar. Följt av AlGaN flera kvantbrunnar (MQWS) tillväxt på grafen-NPSS, AlGaN-baserade djupa ultravioletta ljus-avger-dioder (DUV lysdioder) är tillverkade. De tillverkade DUV-lysdioderna visar också uppenbara, förbättrade luminescensprestanda. Detta arbete ger en ny lösning för tillväxt av hög kvalitet AlN och tillverkning av högpresterande DUV-lysdioder med hjälp av en kortare process och lägre kostnader.
Introduction
AlN och AlGaN är de viktigaste materialen i DUV-lysdioder1,2, som har använts i stor utsträckning inom olika områden såsom sterilisering, polymer härdning, biokemisk detektion, icke-line-of-sight kommunikation, och särskild belysning3. På grund av bristen på inneboende substrat, AlN heteroepitaxy på safir substrat av MOCVD har blivit den vanligaste tekniska vägen4. Men den stora gitter obalans mellan AlN och safir substrat leder till stress ackumulering5,6, hög densitet dislokationer, och stapling fel7. Således minskas lysdiodernas interna kvanteffektivitet8. Under de senaste decennierna, med hjälp av mönstrade safir som substrat (PSS) för att inducera AlN epitaxial laterala överväxt (ELO) har föreslagits för att lösa detta problem. Dessutom har stora framsteg gjorts när det gäller ökningen av aln-mallarna9,,10,,11. Men med en hög ytvidhäftningskoefficient och bindningsenergi (2,88 eV för AlN) har al-atomer låg atomisk ytrörlighet, och tillväxten av AlN tenderar att ha ett tredimensionellt ötillväxtläge12. Således är epitaxial tillväxt av AlN-filmer på NPSS svårt och kräver högre kolescens tjocklek (över 3 μm) än på platta safir substrat, vilket orsakar längre tillväxttid och kräver höga kostnader9.
Nyligen visar grafen stor potential för användning som ett buffertskikt för AlN tillväxt på grund av dess sexkantiga arrangemang av sp2 hybridiserade kolatomer13. Dessutom kan aln-kvasi-van der Waals epitaxy (QvdWE) på grafen minska obalanseffekten och har banat väg för AlN-tillväxten14,15. För att öka den kemiska reaktiviteten hos grafen använde Chen et al. N2-plasmabehandladgrafen som ett buffertskikt och bestämde QvdWE av hög kvalitet AlN och GaN filmer8, som visar utnyttjandet av grafen som ett buffertskikt.
Kombinera N2-plasmabehandlade grafen technic med kommersiella NPSS substrat, presenterar detta protokoll en ny metod för snabb tillväxt och sammansmäxning av AlN på ett grafen-NPSS substrat. AlN:s helt smältningstjocklek på grafen-NPSS bekräftas vara mindre än 1 μm, och de epitaxiala AlN-skikten är av hög kvalitet och stressfrigjorda. Denna metod banar ett nytt sätt för AlN mall massproduktion och visar stor potential i tillämpningen av AlGaN-baserade DUV-lysdioder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som visas i figur 1Aillustrerar NPSS som utarbetats av NIL-tekniken de nanokoniga konmönstren med 400 nm djup, 1 μm mönsterperiod och 300 nm bredd i de otorkade regionerna. Efter APCVD-tillväxten av grafenskiktet visas grafen-NPSS i figur 1B. Den signifikanta ökade D-toppen av N-plasmabehandlad grafen i Raman spektra Figur 1C visar ökningen av dinglande bindningar som generera…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete fick ekonomiskt stöd av National Key R&D Program of China (nr 2018YFB0406703), National Natural Science Foundation of China (nr 61474109, 61527814, 11474274, 61427901) och Beijing Natural Science Foundation (nr 4182063)
Materials
| Acetone,99.5% | Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company | 1090 | |
| APCVD | Linderberg | Blue M | |
| EB | AST | Peva-600E | |
| Ethonal,99.7% | Bei Jing Tong Guang Fine Chemicals company | 1170 | |
| HF,40% | Beijing Chemical Works | 1789 | |
| ICP-RIE | AST | Cirie-200 | |
| MOCVD | VEECO | P125 | |
| PECVD | Oerlikon | 790+ | |
| Phosphate,85% | Beijing Chemical Works | 1805 | |
| Sulfuric acid,98% | Beijing Chemical Works | 10343 |
References
- Sakai, Y., et al. Demonstration of AlGaN-Based Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes on High-Quality AlN Templates. Jappanese Journal of Applied Physics. 49, 022102 (2010).
- Yun, J., Hirayama, H. Investigation of the light-extraction efficiency in 280 nm AlGaN-based light-emitting diodes having a highly transparent p-AlGaN layer. Journal of Applied Physics. 121, 013105 (2017).
- Khan, A., Balakrishnan, K., Katona, T. Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides. Nature Photonics. 2, 77-84 (2008).
- Balushi, Z. Y. A., et al. The impact of graphene properties on GaN and AlN nucleation. Surface Science. 634, 81-88 (2015).
- Motoki, K., et al. Growth and characterization of freestanding GaN substrates. Journal of Crystal Growth. 237, 912-921 (2002).
- Kim, Y., et al. Remote epitaxy through graphene enables two-dimensional material-based layer transfer. Nature. 544, 340-343 (2017).
- Hemmingsson, C., Pozina, G. Optimization of low temperature GaN buffer layers for halide vapor phase epitaxy growth of bulk GaN. Journal of Crystal Growth. 366, 61-66 (2013).
- Chen, Z., et al. High-Brightness Blue Light-Emitting Diodes Enabled by a Directly Grown Graphene Buffer Layer. Advanced Materials. 30, 1801608 (2018).
- Dong, P., et al. 282-nm AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes with improved performance on nano-patterned sapphire substrates. Applied Physics Letters. 102, 241113 (2013).
- Imura, M., et al. Epitaxial lateral overgrowth of AlN on trench-patterned AlN layers. Journal of Crystal Growth. 298, 257-260 (2007).
- Kueller, V., et al. Growth of AlGaN and AlN on patterned AlN/sapphire templates. Journal of Crystal Growth. 315, 200-203 (2011).
- Kneissl, M., et al. Advances in group III-nitride-based deep UV light-emitting diode technology. Semiconductor Science & Technology. 26, 014036 (2010).
- Kunook, C., Chul-Ho, L., Gyu-Chul, Y. Transferable GaN layers grown on ZnO-coated graphene layers for optoelectronic devices. Science. 330, 655-657 (2010).
- Kim, J., et al. Principle of direct van der Waals epitaxy of single-crystalline films on epitaxial graphene. Nature Communications. 5, 4836 (2014).
- Han, N., et al. Improved heat dissipation in gallium nitride light-emitting diodes with embedded graphene oxide pattern. Nature Communications. 4, 1452 (2013).
- Gupta, P., et al. MOVPE growth of semipolar III-nitride semiconductors on CVD graphene. Journal of Crystal Growth. 372, 105-108 (2013).
- Heinke, H., Kirchner, V., Einfeldt, S., Hommel, D. X-ray diffraction analysis of the defect structure in epitaxial GaN. Appllied Physics Letters. 77, 2145-2147 (2000).
- Lughi, V., Clarke, D. R. Defect and Stress Characterization of AlN Films by Raman Spectroscopy. Appllied Physics Letters. 89, 2653 (2006).
- Li, Y., et al. Van der Waals epitaxy of GaN-based light-emitting diodes on wet-transferred multilayer graphene film. Jappanese Journal of Applied Physics. 56, 085506 (2017).
- Chang, H., et al. Graphene-assisted quasi-van der Waals epitaxy of AlN film for ultraviolet light emitting diodes on nano-patterned sapphire substrate. Applled Physics Letters. 114, 091107 (2019).
